【正文】 或放油實(shí)現(xiàn)控制變速器的速比，使發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率和汽車的行駛阻力功率按經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和排放性要求，實(shí)現(xiàn)最佳的動(dòng)態(tài)匹配。離合器控制回路由離合器調(diào)壓閥(高速開關(guān)閥)控制離合器油缸壓力，經(jīng)過離合器控制閥，進(jìn)入到前進(jìn)離合器或倒檔離合器，實(shí)現(xiàn)汽車的起步。主調(diào)壓閥的作用是保證系統(tǒng)的安全，防止系統(tǒng)的壓力過大陋3’州。疊窘疆幅tl 鬟絮力擰麟一圖3．3 CVT數(shù)字電液控制系統(tǒng)碩士學(xué)位論文3．1．3 CVT電控系統(tǒng)CVT控制系統(tǒng)硬件框圖如圖3．4所示。系統(tǒng)主要是由電控單元(ECU)、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及各種接口電路構(gòu)成。ECU輸入信號(hào)有壓力或位移模擬信號(hào)、轉(zhuǎn)速數(shù)字信號(hào)和I／O邏輯信號(hào)，其中模擬信號(hào)要經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換才能被ECu接受。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、CVT主從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速的測(cè)試，我們采用電磁感應(yīng)式傳感器。它由旋轉(zhuǎn)的齒圈和固定的電磁感應(yīng)式傳感器兩部分構(gòu)成。當(dāng)齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，齒圈的齒頂與齒隙就交替地與傳感器磁芯端部相對(duì)應(yīng)，傳感器感應(yīng)線圈周圍的磁場(chǎng)也隨之發(fā)生強(qiáng)弱交替變化，在感應(yīng)線圈中就會(huì)產(chǎn)生類似正弦波的交變電壓。這種交變電壓經(jīng)過整形電路處理后形成方波信號(hào)，放大后輸入到計(jì)算機(jī)的中斷信號(hào)端。計(jì)算機(jī)利用定時(shí)器確定兩次中斷的時(shí)間間隔，從而計(jì)算出回轉(zhuǎn)速度。加速踏板傳感器和制動(dòng)踏板傳感器采用位置傳感器，機(jī)油溫度傳感器采用熱電偶，通過采樣電路進(jìn)入控制器o ”。在I／0輸入信號(hào)中，檔位信號(hào)代表駕駛員掛的檔，其中D一前進(jìn)檔：N一空擋： R一倒檔；P一鎖止檔；M(保留)。在控制過程中，系統(tǒng)根據(jù)得到的檔位，接合相應(yīng)的離合器，然后對(duì)輸入信號(hào)采集和處理，根據(jù)控制策略計(jì)算得到相應(yīng)的傳動(dòng)比，然后，ECU輸出相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)接口電路直接驅(qū)動(dòng)速比和夾緊力控制閥來調(diào)節(jié)離合器或主從動(dòng)輪油缸的壓力，進(jìn)而調(diào)節(jié)夾緊力和速比，使得汽車按照駕駛員的操作模式行駛。霎黧l Ai丑一煮‰l 一篇篇}r Lv錒擁符堰住西l 漿『l Lv_m刪轉(zhuǎn)理傳毋墨l主動(dòng)輪缸壓力估燎器L l從動(dòng)輪虹壓力傳瞎囂L l離合器壓力傳瘟器L 加速踏板傳蓐器}一 一觳臻} 電控單元一慕外制動(dòng)踏板傳婷器L (ECU) 嵩臺(tái)器位置傳感器L一機(jī)油溫度怙感器L— l檔位‘。98“”’L] ．|驅(qū)筆毳L I動(dòng)力，經(jīng)濟(jì)模式選擇L_上I／0；路} 圖3．4 CVT控制系統(tǒng)硬件框圖尤級(jí)蹙遠(yuǎn)器電液控制系統(tǒng)研咒開發(fā)3．2 CVT變速控制策略3．2．1夾緊力控制式(2．4)是用最簡(jiǎn)單的解析表達(dá)式描述金屬帶夾緊力與最大傳遞轉(zhuǎn)矩的關(guān)系， 只是傳動(dòng)效率偏低。在沒有試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為支持的情況下，則式(2．4)是較為可靠的估計(jì)。當(dāng)目標(biāo)夾緊力確定以后，剩下的問題是通過液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)夾緊力的變化規(guī)律。在實(shí)際應(yīng)用中，由于所采用的控制閥的不同，其實(shí)現(xiàn)也有所不同。本文設(shè)計(jì)的CVT夾緊力控制系統(tǒng)框圖如圖3．5所示，本系統(tǒng)采用了數(shù)字式調(diào)壓閥作為夾緊力控制閥。數(shù)字調(diào)壓閥功率大，抗污染，滯環(huán)小，直接可以接受數(shù)字脈沖信號(hào)，所以使用方便。根據(jù)試驗(yàn)驗(yàn)證，數(shù)字調(diào)壓閥可以實(shí)現(xiàn)比較精確的開環(huán)控制，無需對(duì)從動(dòng)輪油缸壓力進(jìn)行實(shí)測(cè)反饋，因此直接發(fā)送脈沖信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)我們需要達(dá)到的控制油壓。此外，數(shù)字閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性比普通比例電磁閥好，具有較高的開環(huán)控制精度，抗干擾能力強(qiáng)、工作可靠性高，不需要非線性補(bǔ)償、反饋控制等輔助控制。“。司蛋曰,Tc 圖3．5夾緊力控制系統(tǒng)框圖在實(shí)時(shí)控制時(shí)，首先根據(jù)當(dāng)前節(jié)氣門開度a、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速Ne、車速及駕駛員選定的運(yùn)行模式，確定發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩Te和目標(biāo)速比i，確定從動(dòng)帶輪的夾緊力QDⅣ，即QDⅣ=_Te_cosa=f(Te，0 (3．1) Z,UOR／．【DR 此作為目標(biāo)壓力，轉(zhuǎn)換為需要的脈沖數(shù)N，以脈沖調(diào)節(jié)(PWM)的方式驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，控制數(shù)字調(diào)壓閥來得到目標(biāo)壓力。3．2．2速比控制策略發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳經(jīng)濟(jì)性或動(dòng)力性工作線代表了穩(wěn)態(tài)或恒功率運(yùn)行時(shí)的匹配策略，通過控制發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度和速比可以控制穩(wěn)態(tài)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)沿著駕駛員選定的工作線工作。但在實(shí)際車輛行駛過程中，加速踏板瞬態(tài)的變化，發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)會(huì)偏離穩(wěn)態(tài)工作線，控制發(fā)動(dòng)機(jī)跟隨到目標(biāo)工作點(diǎn)處工作就是速比控制的目標(biāo)，速頓卜學(xué)位論丘比控制的過程：按照駕駛員的意圖，通過調(diào)節(jié)主動(dòng)帶輪油缸內(nèi)的壓力來實(shí)現(xiàn)實(shí)際速比對(duì)目標(biāo)速比的跟蹤。考慮到無級(jí)變速傳動(dòng)系統(tǒng)的非線性特性、液壓控制系統(tǒng)和速比控制閥特性這三個(gè)因素，我們?cè)O(shè)計(jì)了專家PID控制器。專家PID控制是基于受控對(duì)象和控制規(guī)律的專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，并以智能的方式利用這些專家知識(shí)或經(jīng)驗(yàn)來設(shè)定PID參數(shù)和控制規(guī)則“”。速比專家PID控制系統(tǒng)如圖3．6所示。目標(biāo)速比根據(jù)車輛的工作模式(動(dòng)力／經(jīng)濟(jì)模式)、節(jié)氣門的開度以及CVT輸出軸轉(zhuǎn)速確定。CVT的實(shí)際速比通過測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和CVT輸出軸轉(zhuǎn)速可以得到。實(shí)際速比與目標(biāo)速比的偏差值，經(jīng)過專家PID控制器的處理，輸出到PWM信號(hào)產(chǎn)生器形成速比控制閥的控制信號(hào)。速比控制閥根據(jù)控制信號(hào)的變化，調(diào)節(jié)主動(dòng)帶輪油缸內(nèi)的壓力， 實(shí)現(xiàn)速比的變化。由于CVT速比可以連續(xù)無級(jí)地變化，發(fā)動(dòng)機(jī)能夠始終處于選定的工作線上工作，從而達(dá)到選定的駕駛模式。圖3．6速比專家PID控制系統(tǒng)3．3數(shù)字比例控制技術(shù)CVT的使用要求是傳動(dòng)效率高、改善汽車排放、減少廢氣污染、運(yùn)行平穩(wěn)無沖擊，能使汽車有較好的燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性以及低的使用維護(hù)成本。根據(jù)CVT 的工作要求，CVT電液控制系統(tǒng)需要高效率、運(yùn)行平穩(wěn)、小尺寸和低價(jià)格的液壓控制閥。已有的電磁比例閥靠電磁力推動(dòng)調(diào)壓彈簧來調(diào)壓，由于閥心上的作用力有瞬態(tài)及穩(wěn)念液動(dòng)力、閥芯與閥套問的摩擦力和液壓卡緊力等不確定力，導(dǎo)致閥在往復(fù)工作過程中有較大的滯環(huán)，使得壓力控制精度較低，平穩(wěn)性差。與電液伺服閥和比例閥相比，數(shù)字閥的突出特點(diǎn)是，可直接與計(jì)算機(jī)接口， 不需D／A轉(zhuǎn)換器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；抗污染能力強(qiáng)，操作維護(hù)更簡(jiǎn)單；而且數(shù)字閥的輸出量準(zhǔn)確、叫。靠地由脈沖頻率或脈寬調(diào)節(jié)控制，抗干擾能力強(qiáng)，呵得到較高的開環(huán)控制精度。為此，本文采用步迸電機(jī)驅(qū)動(dòng)的增量式數(shù)字調(diào)壓閥。3．3．1數(shù)字比例技術(shù)的發(fā)展電液伺服控制閥是一種自動(dòng)控制閻，它既是電液轉(zhuǎn)換元件，義足功率放大元鬻仨亨} 印_ 同中件，其功用是將小功率的電信號(hào)輸入轉(zhuǎn)換為大功率液壓能輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)執(zhí)行器位移、速度、加速度和力的控制?，F(xiàn)有的電液伺服閥具有輸入信號(hào)功率{Itd,(通常僅有幾十毫瓦)，功率放大系數(shù)高；精度高、響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，但是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工精度要求嚴(yán)格，對(duì)污染敏感，維修困難，使用成本高，因而除了航空航天及航海等領(lǐng)域有所應(yīng)用外，不宜應(yīng)用在汽車等一般工業(yè)領(lǐng)域。20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的電液比例控制閥是介于普通液壓閥和電液伺服閥之間的一種液壓控制閥。與電液伺服閥的功能類似，電液比例閥既是電液轉(zhuǎn)換元件， 又是功率放大元件，其功用是接受電氣信號(hào)的指令，連續(xù)成比例地控制系統(tǒng)的壓力、流量等參數(shù)，使之與輸入電氣信號(hào)成比例地變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)執(zhí)行器的控制。電液比例閥多用于開環(huán)液壓系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓參數(shù)的遙控，也可以作為信號(hào)轉(zhuǎn)換與放大元件用于閉環(huán)控制系統(tǒng)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，用計(jì)算機(jī)對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。但是傳統(tǒng)的電液比例閥只能接牧連續(xù)變化的電壓或電流模擬信號(hào)，而計(jì)算機(jī)只能輸出數(shù)字信號(hào)。用計(jì)算機(jī)控制必須進(jìn)行數(shù)．模轉(zhuǎn)換，是整個(gè)系統(tǒng)復(fù)雜，成本提高，可靠性降低。在這種技術(shù)要求下，20世紀(jì)80年代初出現(xiàn)了電液數(shù)字控制閥。電液數(shù)字控制閥是用數(shù)字信號(hào)直接控制液流的壓力、流量和方向的閥類。與電液伺服閥和比例閥相比，數(shù)字閥的突出特點(diǎn)是，可直接與計(jì)算機(jī)接口，不需D／A轉(zhuǎn)換器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 功耗小，控制靈活可靠。其缺點(diǎn)是頻寬及響應(yīng)速度不如模擬式的比例控制元件。如下表3．1所示為幾種閥的性能比較““圳。表3．1電液數(shù)字閥與電液伺服閥、電液比例髑的比較項(xiàng)目電液數(shù)字閥電液伺服閥電液比例溷控制功率(w) 5～10 0．05～5 10—之5 線性度較高高較高重復(fù)精度(％) o．I 0．5～1 0．51 滯環(huán)(％) 0．1卸．5 3 過濾要求(pm) 25 15 25 頻寬(Hz) 5 60^也OO ，0 遮蓋(死區(qū)) 有無有執(zhí)行器開環(huán)或執(zhí)行器閉環(huán)控執(zhí)行器開環(huán)或閉應(yīng)用類型閉環(huán)控制制環(huán)控制碩士學(xué)位論文3．3．2數(shù)字閥的分類根據(jù)控制方式的不同，電液數(shù)字閥可分為增量式數(shù)字閥和脈寬調(diào)制(PWM)式高速開關(guān)數(shù)字閥兩大類。(1)增量式數(shù)字閥增量式數(shù)字閥是采用由脈沖數(shù)字調(diào)制演變而成的增量控制方式，以步進(jìn)電機(jī)作為電氣機(jī)械轉(zhuǎn)換器，驅(qū)動(dòng)液壓閥芯工作，因此又稱步進(jìn)式數(shù)字閥。增量式數(shù)字閥控制系統(tǒng)工作原理框圖如圖3．7所示。計(jì)算機(jī)發(fā)出脈沖序列經(jīng)驅(qū)動(dòng)器放大后使步進(jìn)電機(jī)工作。步進(jìn)電機(jī)是一個(gè)數(shù)字元件，根據(jù)增量控制方式工作。增量控制方式是由脈沖數(shù)字調(diào)制法演變而成的一種數(shù)字元件，根據(jù)增量控制方式工作。增量控制方式由脈沖數(shù)字調(diào)制法演變而成的一種數(shù)字控制方法，是在脈沖數(shù)字信號(hào)的基礎(chǔ)上，使每個(gè)采樣周期的步數(shù)在前一采樣周期的步數(shù)上，增加或減少一些步數(shù)， 而達(dá)到需要的幅值；步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角或位移與輸入的脈沖數(shù)成比例，步進(jìn)電機(jī)每得到一個(gè)脈沖信號(hào)，便得到與輸入脈沖數(shù)成比例的轉(zhuǎn)角，每個(gè)脈沖使步進(jìn)電機(jī)沿給定方向轉(zhuǎn)動(dòng)一固定的步距角，再通過機(jī)械轉(zhuǎn)換器使轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換為軸向位移，使閥口獲得一相應(yīng)開度，從而獲得與輸入脈沖數(shù)成比例的壓力、流量。有時(shí)，閥中還設(shè)置用以提高閥的重復(fù)精度的零位子傳感器和用以顯示被控制量的顯示裝置”.。!.|.L一一..一..一一廠一一怛.......一..一圖3．7步進(jìn)式數(shù)字閥控制系統(tǒng)工作原理框圖本文采用的是直線式步進(jìn)電機(jī)，與旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電機(jī)相比，省去了與液壓閥之間的機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置，結(jié)構(gòu)更加緊湊，并且步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，而且即使不用費(fèi)耗能量就可維持穩(wěn)定位置不變，這樣在液壓系統(tǒng)不要求有流量或壓力方面的變化時(shí)就不必消耗能量，在位置控制系統(tǒng)精度要求不高、需控制成本的汽車上更適合使用。(2)脈寬調(diào)制式數(shù)字閥脈寬調(diào)制式數(shù)字閥的控制信號(hào)是一系列幅值相等、而在每一周期內(nèi)寬度不同的脈沖信號(hào)。脈寬調(diào)制式數(shù)字閥控制系統(tǒng)的工作原理框圖如下圖3．8所示。計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)通過脈寬調(diào)制放大器調(diào)制放大后使電氣一機(jī)械轉(zhuǎn)換器工作，從而驅(qū)動(dòng)液壓閥工作。由于作用于閥上的信號(hào)為一系列脈沖，因此液壓閥只有與之相對(duì)應(yīng)的快速切換的開和關(guān)兩種狀態(tài)，而以開啟時(shí)間的長(zhǎng)短來控制流量或壓力。高速開關(guān)數(shù)字閥中液壓閥的結(jié)構(gòu)與其他閥不同，它是一個(gè)快速切換的開關(guān)，只有全開和全閉兩種工作狀態(tài)：電氣一機(jī)械轉(zhuǎn)換器主要是各種電磁鐵。計(jì)算機(jī)發(fā)出需要的脈沖序列進(jìn)入到脈寬調(diào)制放大器，然后信號(hào)到達(dá)高速開關(guān)閥，通過控制開關(guān)閥開啟時(shí)間的長(zhǎng)短來控制油液壓力或流量。.。圖3．8脈寬調(diào)制式數(shù)字閥控制系統(tǒng)工作原理框圖3．4高速開關(guān)閥在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用量高速電磁開關(guān)閥是液壓控制系統(tǒng)中的新技術(shù)，與比例電磁閥相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、工作可靠、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，因此在車輛電子控制系統(tǒng)中(如ABS、AMT、主動(dòng)懸架等)都得到廣泛應(yīng)用。由于CVT的離合器控制及變速控制要求響應(yīng)時(shí)間很短，因此采用高頻特性好的高速開關(guān)閥非常適合。對(duì)離合器進(jìn)行控制，采用調(diào)制脈寬的方式對(duì)其進(jìn)行控制。PWM脈寬調(diào)制原理：脈寬調(diào)制全稱為脈沖寬度調(diào)制PWM(Pluse Width Modulation)，是一種通過調(diào)節(jié)控制方波信號(hào)的占空比大小，即有效脈沖信號(hào)的寬度的方法，來實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出開關(guān)量導(dǎo)通時(shí)間及導(dǎo)通順序的控制，以達(dá)到調(diào)節(jié)輸出的目的”“。由于開關(guān)器件具有較高的頻率響應(yīng)特性，因此， 當(dāng)控制脈沖的周期頻率達(dá)到一定程度時(shí)，高頻脈沖輸出信號(hào)就可以近似等于模擬輸出量。如圖3．9所示為常用的兩位三通高速開關(guān)閥的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。當(dāng)線圈通電時(shí)，銜鐵1產(chǎn)生的電磁推力通過導(dǎo)桿5使供油球閥6向右運(yùn)動(dòng)，工作油從進(jìn)油口進(jìn)入， 經(jīng)工作油口流出到工作油缸。當(dāng)線圈斷電時(shí)，供油球閥6在供油口和控制口壓差的作用下向左運(yùn)動(dòng)，使回油球閥4向左運(yùn)動(dòng)打開，進(jìn)油口關(guān)閉，回油口打開，工作油從工作油口進(jìn)入，經(jīng)回油口流回油箱”“。1，It i．1Ul，．_器I，lIl_?！聆ァ?。aJttfl 圖3．9高速開關(guān)閥結(jié)構(gòu)原理圖離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的高頻響應(yīng)性能很大程度上取決于高速開關(guān)閥的開關(guān)特性， 一般高速開關(guān)閥采用脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)控制，其控制參數(shù)為占空比。PWM控制信號(hào)的脈沖周期T是一個(gè)固定的常數(shù)值，而每個(gè)周期內(nèi)高、低電平的寬度大小t。、tofr是可變的，如圖3．10所示。一般取高電平信號(hào)作為有效開通信號(hào)，通常將每個(gè)周期內(nèi)高電平寬度t。占整個(gè)脈沖周期寬度T的百分比稱為占空比，即； ， T=乞+toy，f(％)=等x100％ (3，2) 電平圖3．10脈沖信號(hào)盡管這樣做會(huì)給系統(tǒng)帶來一個(gè)與PWM信號(hào)頻率相同的壓力脈沖干擾，但通過低通濾波可以消弱此壓力脈動(dòng)。用脈寬信號(hào)對(duì)連續(xù)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，從而將連續(xù)信號(hào)調(diào)制成脈寬信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)壓力的跟蹤。3．5本章小結(jié)本章詳細(xì)分析了CVT電液控制系統(tǒng)的組成和速比、夾緊力、起步離合器及液力變矩器的技術(shù)。針對(duì)數(shù)字比例技術(shù)和傳統(tǒng)的開關(guān)閥、伺服閥和電磁比例閥相比較具有的優(yōu)勢(shì)，本文將數(shù)字比例技術(shù)應(yīng)用到CVT電液控制系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了數(shù)字電液控制系統(tǒng)。數(shù)字比例控制元件能和計(jì)算機(jī)直接連接，能實(shí)現(xiàn)更精確的控制控制并有更高的可靠性，可以滿足CVT的控制要求，采用數(shù)字控制技術(shù)的優(yōu)勢(shì)還有可以降低CVT的成本。并且闡述了高速開關(guān)閥在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用。第4章數(shù)字調(diào)壓閥的設(shè)計(jì)和仿真4．1數(shù)字調(diào)壓閥的理論基礎(chǔ)4．1．1液阻網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)概述大多數(shù)液壓控制閥通過改變閥口流量面積來實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)壓力或流